Grundwissen 8
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Grundwissen 8. Klasse 1. Stoffe und Teilchen Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen, die sich bewegen. Je mehr Energie sie besitzen, desto mehr bewegen sie sich. Atome von „atomos“ unteilbar. Ein elementarer Stoff kann chemisch höchstens in gleiche, kleinste Teilchen zersetzt werden. Ionen Salze bestehen aus Ionen. Es gibt negativ geladene Ionen, die Anionen und positiv geladene, die Kationen. Zudem können Ionen Atomionen oder Molekülionen sein. Z.B.: Anionen: Chloridion (Cl-), Oxidion (O2-), Carbonation (CO32-) Kationen: Natriumkation (Na+), Calciumkation (Ca2+), Ammoniumkation (NH4+) Moleküle elektrisch neutrale Teilchen, die aus mehreren gleichen oder unterschiedlichen Atomen zusammengesetzt sind. Z.B.: Sauerstoffmolekül (O2), Ammoniak (NH3) Element Atome einer Sorte, die sich in Bau und Reaktionsvermögen gleichen, werden als Element bezeichnet und im Periodensystem der Elemente aufgeführt. Elementarer Stoff Ein Stoff, der nur aus einer Sorte Atomen aufgebaut ist. Z.B.: Sauerstoff, Kupfer, Chlor Chemische Verbindung Wenn unterschiedliche Atome Moleküle oder Ionen bilden, liegt eine Verbindung vor. Elementargruppe In einem Salz liegen Anionen und Kationen in einem Ionengitter vor. Die kleinste, wiederkehrende Einheit wird als Elementargruppe bezeichnet. Z.B.: Kochsalz (NaCl), Magnesiumoxid (MgO), Calciumcarbonat (CaCO3) Kochsalzgitter 2. Chemische Reaktionen und Energie Chemische Reaktion Hierbei werden Teilchen gespalten und neu zusammengesetzt. Aus Edukten (Ausgangsstoffe) werden Produkte (Endstoffe) gebildet. Z.B.: + Wasserstoff 2 H2 + Sauerstoff O2 + Wasser 2 H2O Chemische Formel Gibt an, welche Atome in welchem Zahlenverhältnis ein Molekül bilden. Dabei gelten die kleinen Indizes nur für das vorangestellte Element, Koeffizienten die vor dem Molekül stehen für das gesamte Molekül (siehe obige Reaktionsgleichung für die Entstehung von Wasser). Für Salze gelten Verhältnisformeln, die das Anzahlverhältnis von Anionen und Kationen wiedergeben. Reaktionsgleichung Beschreibt die Anzahl der Edukte vor, und die Anzahl der Produkte nach einer chemischen Reaktion. Dabei muss die Anzahl der Atome vor und nach der Reaktion gleich bleiben (Gesetz von der Erhaltung der Masse). Z.B.: Natrium 2 Na Benennung binärer Verbindungen + Chlor(molekül) Natriumchlorid + Cl2 2 NaCl Das erste Element erhält seinen deutschen Namen, das zweite wird mit seinem lateinisch/griechischen Wortstamm benannt, an den die Endung –id angehängt wird. Z.B.: Kohlenstoffdioxid (CO2), dabei werden Zahlwörter dem entsprechenden Element vorangestellt (von 1 – 10: Mono, di, tri, penta, hexa, hepta, octa, nona, deca). Oder N2O = Distickstoffmonooxid Metallion Lithium: Li+ Kalium: K+ Natrium: Na+ Magnesium: Mg2+ Calcium: Ca2+ Barium: Ba2+ Aluminium: Al3+ Kupfer: Cu2+ Silber: Ag+ Eisen: Fe2+ / Fe3+ Anion Cl Chlorid F- Fluorid Br- Bromid I- Iodid S2- Sulfid O2- Oxid N3- Nitrid - Reaktionsenergie Stoffe besitzen eine innere Energie Ei. Unterscheidet sich der Energiegehalt von Edukten und Produkten wird Energie frei (exotherme Reaktion, d.h. die innere Energie der Produkte ist geringer als die der Edukte), oder es muss Energie aufgewendet werden (endotherme Reaktion, die innere Energie der Produkte ist größer als die der Edukte). Die Differenz der inneren Energie bezeichnet man als Reaktionsenergie ΔEi. Bei exothermen Reaktionen bekommt sie ein negatives, bei endothermen ein positives Vorzeichen. Aktivierungsenergie Energie, die nötig ist, um eine chemische Reaktion „anzustoßen“. Katalysator Ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt. Er nimmt an der Reaktion teil, liegt danach aber unverändert wieder vor. In Organismen heißen sie Biokatalysatoren oder Enzyme. Energiediagramme Exotherme Reaktion Endotherme Reaktion Ei= innere Energie EA= Aktivierungsenergie ΔEi=Reaktionsenergie 3. Atombau und Periodensystem Elementarteilchen Im Kern befinden sich die Protonen und Neutronen, in der im Vergleich dazu riesigen Hülle, die Elektronen (zumVergleich: Beträgt der Kerndurchmesser einen Zentimeter, entspricht der Schalendurchmesser etwa der Höhe des Turm des Ulmer Münsters). + Name Abkürzung Ladung Masse in u Proton p+ +1 1,00728 Neutron n 0 1,00867 - Elektron e- -1 0,000549 Ordnungszahl Atombau (Kern-Hülle-Modell) Im Periodensystem sind die Elemente nach der Anzahl ihrer Protonen im Kern geordnet = Protonenzahl = Ordnungszahl = Kernladungszahl (und entspricht der Anzahl der Elektronen). Z.B.: 8 O, bedeutet Sauerstoff steht an achter Stelle im PSE, besitzt 8 Protonen und 8 Elektronen. Das Schalenmodell besagt, dass sich die Elektronen, angezogen vom Kern, in definierten Abständen auf sogenannten Schalen bewegen. Es gilt: je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind, desto energiereicher sind sie. Die Schalen werden vom Atomkern ausgehend mit K, L, M etc. bezeichnet. Die Energiestufe, die die jeweilige Schale darstellt, wird mit der Hauptquantenzahl n = 1, 2, 3 etc bezeichnet. Dies entspricht auch der Periodenzahl (waagrechte Zeilen im PSE). z.B. Schalenmodell von Fluor: K L Valenzelektronen Die Außenelektronen, also die energiereichsten Elektronen. Sie sind entscheident für die Reaktivität eines Atoms, sie bewirken quasi die chemische Reaktion. Im gekürzten PSE sind die Hauptgruppennummern von I – VIII mit der Anzahl der Valenzelektronen identisch. Edelgaskonfiguration Die Elemente der VIII Hauptgruppe sind die Edelgase. Sie besitzen jeweils 8 Valenzelektronen = Elektronenoktett (Ausnahme Helium, es besitzt nur zwei = Elektronenduplett). Die Edelgase sind sehr reaktionsträge (kommen nur atomar vor), da deren Elektronenkonfiguration einen energiearmen und damit stabilen Zustand darstellt. In Verbindungen nehmen die Atome meist die Edelgaskonfiguration ein, man spricht daher von der Oktettregel. Elektronen Kern (mit Protonen und Neutronen) Helium Neon Elektronendonatoren Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, geben Metallatome bei der Reaktion mit Nichtmetallatomen ihr,e Valenzelektron,en ab. Sie werden zu positiv geladenen Kationen. Elektronenakzeptoren Im Gegenzug nehmen Nichtmetallatome die Elektronen ihrer Reaktionspartner auf und füllen so ihre Außenschale. Sie werden zu negativ geladenen Anionen. Gemeinsam mit den Kationen bilden sie ein Ionengitter – ein Salz. Na Natrium + Cl Na+ Chlor(atom) Natriumkation + ClChloridion 4. Chemische Bindungen und Stoffeigenschaften Stoff- und Teilchenebene Eigenschaften von Stoffen und Stoffveränderungen bei Reaktionen (Stoffebene) kann man nur verstehen, wenn man sich mit Aufbau der Teilchen und der Bindungen in Verbindungen (Teilchenebene) befasst. Metallbindung In Metallen geben die Atome ihre Valenzelektronen ab. Diese bewegen sich frei zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und halten diese so zusammen (Elektronengas). Metalleigenschaften Metalle sind elektrisch leitfähig. Beim Anlegen einer Gleichspannung wandern die Elektronen zwischen den Atomrümfen zum Pluspol, während der Minuspol Elektronen nachliefert. Metalle sind daher Elektronenleiter (Leiter 1. Ordnung). e- e- + Pol - Pol Atomrümpfe Metalle sind verformbar. Da die Atomrümpfe durch das Elektronengas zusammengehalten wird, sind die Ebenen leicht verschiebbar. Auch die gute Wärmeleitfähigkeit ist auf diese Art Bindung zurückzuführen: Die Elektronen werden durch Wärmeenergie in höhere Energiezustände gehoben und die Atomrümpfe in Schwingungen versetzt, die an benachbarte Teilchen weitergegeben wird. Atombindung Auch kovalente, oder Elektronenpaarbindung genannt. Dabei überlappen die Atomhüllen einzelnen Nichtmetallatome und bilden ein gemeinsames Molekülorbital. Dabei geraten die Elektronen in den Anziehungsbereich beider Kerne und halten so die Atome zusammen (bindendes Elektronenpaar). Neben Einfachbindungen können auch Doppelbindungen (z.B. O2) und Dreifachbindungen (z.B. N2) gebildet werden. Wasserstoffatome Stickstoffatome Wasserstoffmolekül Stickstoffmolekül (Dreifachbindung) N Valenzstrichformel + N N N Eine vereinfachte Darstellung der Atome und ihrer Bindungen. Dabei werden freie Elektronenpaare als Striche um das Elementsymbol dargestellt, bindende Elektronenpaare als Striche zwischen den Elementsymbolen. Z.B.: Fluorwasserstoff Kohlenstoffdioxid Wasser Stickstoff N = N Regeln: 1.Die Anzahl der Valenzelektronen entspricht der Nummer der Hauptgruppe 2. Durch die Elektronenpaarbindungen erreichen die Bindungspartner Edelgaskonfiguration. Also werden so viele Bindungen ausgebildet, wie die Atome zum Erlangen dieser benötigen. Die verbleibenden Elektronen bilden die nichtbindenden, oder freien Elektronenpaare. Ionenbindung: Eigenschaften von Salzen und Salzlösungen Bei der Reaktion von Metallen mit Nichtmetallen entstehen Kationen und Anionen, die ein Ionengitter bilden und sich durch elektrostatische Kräfte aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladung stark anziehen. Die starken Anziehungskräfte zwischen den Ionen sind für die hohen Schmelztemperaturen der Salze verantwortlich. Salze sind spröde, d.h. sie zerbrechen bei Druckausübung. Dadurch erfolgt eine Verschiebung des Ionengitters. Dies hat zur Folge, dass gleichartig geladene Ionen nebeneinander zu liegen kommen und sich abstoßen. Anion Kation Salzlösungen enthalten frei bewegliche Ionen. Diese transportieren Ladungen und machen die Salzlösung somit leitfähig = Ionenleiter (Leiter 2. Ordnung). Anionen fließen zum Pluspol, Kationen zum Minuspol.
